W tym wpisie na blogu przyjrzymy się bliżej, w jaki sposób technologia sterowania jest stosowana w przemyśle i życiu codziennym, aby wprowadzać zmiany.
Znaczenie i zastosowania technologii sterowania
Technologia sterowania odnosi się do procesu regulacji wielkości fizycznych, takich jak temperatura, ciśnienie, natężenie przepływu i prędkość obrotowa, w celu zapewnienia prawidłowego działania maszyn i urządzeń. Istnieją różne metody technologii sterowania, które dostosowują sygnał wyjściowy do zmierzonej wartości bieżącej wielkości fizycznej kontrolowanego obiektu i pożądanej wartości docelowej. Technologia sterowania odgrywa istotną rolę w różnych dziedzinach współczesnego przemysłu, a jej znaczenie rośnie z dnia na dzień.
Podstawowe metody sterowania: metoda włączania/wyłączania
Najprostszą metodą jest „metoda przełącznika włącz/wyłącz”, powszechnie stosowana w urządzeniach do regulacji temperatury wody w kotłach. W tym urządzeniu, jeśli aktualna temperatura jest niższa od temperatury zadanej, przełącznik włącza się, aby zasilić podgrzewacz; jeśli jest wyższa od temperatury zadanej, przełącznik wyłącza się, odcinając zasilanie podgrzewacza. Gdy przełącznik jest włączony, podawane jest 100% mocy wyjściowej, a gdy jest wyłączony, moc wyjściowa wynosi 0%. Gdy podgrzewacz uruchamia się po raz pierwszy, pozostaje w stanie włączonym, aby podnieść temperaturę wody, ale w pewnym momencie następuje „przeregulowanie”, gdy temperatura wody przekracza wartość zadaną. Ponieważ przeregulowanie może obciążać system, przełącznik jest wielokrotnie włączany i wyłączany, aby przywrócić bieżącą temperaturę do wartości zadanej. Ponieważ temperatura wody, podobnie jak ciśnienie lub natężenie przepływu, jest wielkością fizyczną, która zmienia się w sposób ciągły (analogowy), nie spada natychmiast tylko dlatego, że przełącznik został wyłączony po wzroście temperatury. Dlatego wielokrotne włączanie i wyłączanie przełącznika powoduje „wahanie”, w którym temperatura wody waha się w górę i w dół wokół wartości zadanej.
Problem polowania i sterowanie PID
Metoda przełączania włącz/wyłącz powoduje przeregulowanie i wahania, co utrudnia precyzyjne sterowanie wielkością fizyczną obiektu kontrolowanego. Aby zrekompensować te niedociągnięcia metody przełączania włącz/wyłącz, stosuje się „regulację PID”. Regulacja PID wykorzystuje sterowanie proporcjonalne (P), całkujące (I) i różniczkujące (D) do precyzyjnej regulacji wielkości fizycznej obiektu kontrolowanego. Jednakże, w zależności od celu, można również zastosować regulację P, PI lub PD.
Charakterystyka kontroli fosforu
Regulacja P ustawia stały zakres proporcjonalności powyżej i poniżej wartości zadanej, a w tym zakresie generuje sygnał sterujący proporcjonalny do odchylenia między wartością zadaną a wartością zmierzoną. Na przykład, w układzie regulacji temperatury kotła wykorzystującym regulację P, jeśli bieżąca temperatura jest poniżej dolnej granicy zakresu proporcjonalności, generowany jest sygnał sterujący 100%, aż do momentu, gdy bieżąca temperatura osiągnie dolną granicę, utrzymując przełącznik w stanie włączenia. Jednak gdy bieżąca temperatura wzrośnie powyżej dolnej granicy zakresu proporcjonalności, rozpoczyna się cykl proporcjonalności, w którym przełącznik przełącza się między stanem włączenia i wyłączenia. Dokładniej, aż bieżąca temperatura — która przekroczyła dolną granicę zakresu proporcjonalności — osiągnie wartość zadaną, cykl, w którym czas włączenia jest dłuższy niż czas wyłączenia, powtarza się okresowo. Gdy bieżąca temperatura osiągnie wartość zadaną, generowany jest sygnał sterujący 50%, a cykl, w którym czasy włączenia i wyłączenia są równe (1:1), powtarza się. Jeśli bieżąca temperatura wzrośnie powyżej wartości zadanej, operacja, w której czas wyłączenia jest dłuższy niż czas włączenia, powtarza się okresowo, a jeśli bieżąca temperatura przekroczy górną granicę zakresu proporcjonalności, system pozostaje w stanie wyłączenia. W ten sposób sterowanie P pozwala na zbliżenie wartości mierzonej do wartości zadanej, znacznie redukując wahania w porównaniu z zastosowaniem wyłącznie metody włącz/wyłącz.
Jednak nawet gdy mierzona wartość osiągnie stan ustalony, nieuchronnie pojawia się pewien błąd względem wartości zadanej, powyżej lub poniżej wartości zadanej; jest to tzw. „błąd resztkowy”. Gdy regulacja P jest stosowana w systemie regulacji temperatury kotła, ustawienie szerszego pasma proporcjonalności obniża temperaturę, przy której rozpoczyna się cykl włączania i wyłączania ogrzewania. W konsekwencji, czas potrzebny na osiągnięcie przez bieżącą temperaturę wartości zadanej wydłuża się, a błąd resztkowy rośnie; jednak wahania temperatury występują prawie nigdy. I odwrotnie, im węższy jest ustawiony pas proporcjonalności, tym krótszy jest czas osiągnięcia przez bieżącą temperaturę wartości zadanej i tym mniejsze staje się odchylenie resztkowe; jednak wahania temperatury są bardziej prawdopodobne.
Zastosowanie sterowania PI
W przypadku stosowania sterowania I w połączeniu ze sterowaniem P, możliwe jest wyeliminowanie odchylenia resztkowego, co pozwala na bardzo bliskie zbliżenie się wartości mierzonej do wartości zadanej. Działanie całkujące sterowania PI generuje sygnał sterujący proporcjonalny do całki odchylenia między wartością mierzoną a wartością zadaną; intensywność tego działania jest regulowana za pomocą czasu całkowania, który reprezentuje siłę działania całkującego. Skrócenie czasu całkowania wzmacnia działanie korygujące zmiany stanu obiektu kontrolowanego, umożliwiając szybką eliminację odchylenia resztkowego, ale może to powodować wahania. Z kolei wydłużenie czasu całkowania osłabia działanie korekcyjne, zapobiegając wahaniom, ale wymagając dłuższego czasu na wyeliminowanie błędu resztkowego.
Zakończenie metody sterowania PID
Jednakże, w przypadku stosowania wyłącznie sterowania P lub PI, powrót mierzonej wartości do wartości zadanej zajmuje dużo czasu, jeśli zewnętrzne wstrząsy lub wibracje powodują szybką zmianę stanu kontrolowanego obiektu. W takich przypadkach użycie sterowania D umożliwia systemowi szybki powrót do wartości zadanej. Gdy występują zewnętrzne wstrząsy lub wibracje, odchylenie między wartością mierzoną a wartością zadaną wzrasta; działanie różniczkujące w sterowaniu PD lub PID wyprowadza sygnał sterujący proporcjonalny do szybkości zmiany tego odchylenia. Wielkość działania różniczkującego jest regulowana poprzez czas różniczkowania. Jeśli czas różniczkowania zostanie skrócony, działanie korygujące mające na celu dostosowanie stanu kontrolowanego obiektu słabnie, co skutkuje dłuższym czasem osiągnięcia wartości zadanej, ale przeregulowanie nie występuje. I odwrotnie, jeśli czas różniczkowania zostanie wydłużony, działanie korygujące staje się silniejsze, skracając czas osiągnięcia wartości zadanej przez wartość mierzoną, ale przeregulowanie jest bardziej prawdopodobne.
Zastosowania i przyszłość technologii sterowania
Technologia sterowania jest szeroko stosowana w szerokim spektrum zastosowań, od prostych urządzeń mechanicznych po złożone systemy przemysłowe. Znajduje zastosowanie na przykład w różnych dziedzinach, takich jak systemy autopilota samolotów, systemy kontroli stabilności pojazdów oraz sterowanie procesami w zakładach chemicznych. Znaczenie technologii sterowania zyskuje na znaczeniu w szczególności ze względu na rozwój automatyki przemysłowej i inteligentnych fabryk. Co więcej, technologia sterowania w połączeniu ze sztuczną inteligencją (AI) otwiera nowe możliwości w takich obszarach jak pojazdy autonomiczne, drony i roboty.
Postęp w technologii sterowania nie tylko sprawi, że nasze życie stanie się wygodniejsze i bezpieczniejsze, ale także znacząco poprawi wydajność i produktywność przemysłu. Technologia sterowania będzie się nadal rozwijać, napędzając innowacyjne zmiany w różnych dziedzinach. Dzięki tym zmianom będziemy mogli cieszyć się bardziej dostatnią i zaawansowaną przyszłością.
